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1、用于流体食品杀菌处理的高压脉冲电场处理腔的设计综述摘要：高压脉冲电场技术（PEF）作为一种低温杀菌处理工艺，获得了广泛的关注。这种快速处理技术可以为消费者提供具有微生物安全性、轻微加工、新鲜风味的食品。处理腔是PEF杀菌处理系统中关键的组成部分，它的作用主要是放置电极和给食品物料施加高压电场。本文讨论了当前PEF杀菌处理腔的设计情况、各种静态式和连续式处理腔的概况、基本设计因素的影响以及现有处理腔经优化处理后的性能。关键词：高压脉冲电场；处理腔；低温处理刊出信息：2009.1.16收到稿件，200964收到修改稿，2009.6.8录用,2009.6.息在线刊出目录1 .引言12 .静态式处理腔
2、22.1 U型静态式处理腔22.2 平板式静态处理腔22.3 圆盘式静态处理腔22.4 线-筒式静态处理腔32.5 棒-棒式静态处理腔32.6 封闭式静态处理腔33 .连续式处理腔43.1 电场强度43.2 处理时间53.3 处理温度53.4 有效通流面积63.5 冷却系统63.6 同轴处理腔73.7 流速和商业化的PEF处理设备84 .结论9致谢91 .引言近年来，消费者对新鲜食品的需求越来越高，特别是对蔬菜汁、水果汁和牛奶等流体食品，其富含维生素C和维生素E等抗氧化维生素、酚类以及胡萝卜素。因此，在食品加工处理过程中保持原始风味和色泽并且保留高的营养价值显得越来越重要C传统上利用热力处理的
3、方法进行灭菌，但是高温加工不仅会改变食品风味，还会造成营养流失。研究表明，PEF已经成为一种可以替代传统加热杀菌处理的非热力食品加工保鲜技术。一个PEF处理系统一般由脉冲发生器、处理腔、流体控制系统和监测系统四部分组成，其中，PEF杀菌处理腔由两个位置相对的金属电极以及承载电极的绝缘体材料组成，其形成的空间可容纳食品物料，主要作用是放置电极以及在食品物料和腔体之间施加高压电场。因此，杀菌处理腔的设计是PEF杀菌处理技术发展中的关键因素之一，作为低温杀菌工艺，要求它能产生均匀的电场分布、尽可能小的温升以及所设计的电极能戒小电化学腐蚀的影响。PEF杀菌技术应用到流体食品加工中，要求它能提高食品保留
4、原有风味的货架期。为了迎合这些需求，许多高校、研究团队和民营企业研发了不同的实验室规模和中试规模的PEF杀菌处理腔，所设计的处理腔被加工生产、安装以及应用到流体食品的低温杀菌处理中。在过去的五十年里，一个非常重大的成就是利用PEF杀菌技术进行食品杀菌的商业化规模探索，包括一些现有的具有杀菌处理腔和能量供应设备的工业化规模PEF杀菌处理系统。PEF杀菌处理腔分为静态式和连续式。对于静态处理腔，流体食品的离散部分作为处理腔内全部流体的单个处理单元，应用均匀的电场强度分布使每一个食品单元的处理效果一致，对于连续式处理腔，待处理食品物料经泵送产生的稳定流速流进和流出PEF杀菌系统。处理腔的设计经历了从
5、静态式逐渐向连续式发展的过程。2 .静态式处理腔2.1 U型岸态式处理腔20世纪60年代，SaIe和HamiItOn设计了一种密闭、静态式的处理腔，用于生物失活机制的研究，这是最早的处理腔。该处理腔包括两个镶嵌有黄铜块的碳电极，放置在两电极中间的U型聚乙烯垫片的掏空部分可以使冷却液流过。由于食品上空气引起的电衰减，可应用的最大电场强度为30KVcmo实验表明，利用最大值为IOKV、脉宽为220s的方波脉冲进行测试，在10个20KVcm的峰值电场和20s的脉宽作用下，Escherichiacoli的存活率低于l%o使用该处理腔，处理液的温度升高幅度较小，不会产生致命影响。Sale和Hamilto
6、n提出，微生物的失活不是因为电解作用，而是因为电场导致细胞膜的选择透过性功能产生了不可逆的丧失，最终导致细菌死亡。2.2 平板式静态处理腔最早期的一些平行板式处理腔使用的是被绝缘体垫片分隔开的平板式电极，当平行板状电极的间距远小于电极的表面尺寸时，可以得到均匀分布的电场强度。但是，该处理腔一个明显的缺点是，其内部的电场强度受到流体和绝缘体表面的电弧放电现象限制。1987年，DUnrl和Pearlman设计了一种实验室规模的PEF静态式处理腔实验装置，如图2所示，该处理腔由两个相互平行且间距为5mm的不锈钢金属电极和丙烯酸树脂绝缘体垫片组成，电极的有效表面积为20cm2,厚度为2cm,内部直径为
7、IoCm,电极上开的小孔可以使待处理流体食品完全注入到处理腔。可应用的峰值电场强度为5-25KVcm1一旦电场强度超过30KVcm,就会产生电火花。1996年，Grahl和MarkI设计了一种PEF处理腔，其与SaIe和HamiItOn所设计的处理腔相似，主要由两个中间被0.5cm或1.2cm的矩形树脂支架分隔开的镶嵌有黄铜块的矩形碳电极组成C电极的有效表面积为50cm2,最大电压变化范围为5-15KV,在不进行电极冷却的情况下，最大的电场强度可以达到30KVcm0平行板式处理腔可以沿着轴向距离和电极表面产生均匀分布的电场强度,但是在电极的边缘处会出现尖峰电场的问题C2.3 圆盘式峰态处理腔实
8、现空间分布均匀的高强度的电场对于PEF处理腔的设计是至关重要的，同时，减小容量以及避免电击穿也同样重要，因此要求所设计的处理腔能减小电极表面电场强度的突增，以避免因其导致的电击穿。为了减小在绝缘体处发生电击穿的可能性，BUShnell在1993年提出了有效地实现高强度电场处理的原则：（1）去除高强度电场区域的绝缘体材料；（2）去除高强度电场区域的“三点”（即电极、绝缘体、流体或可泵送食品的交界处）；（3）提高绝缘体长度；（4）使绝缘体与电场强度方向形成一定的角度；（5）通过设计合适的金属电极形状减小电场突增现象。与上述原则（5）相一致的是，Dunn和Pearlman在1987年证明，经倒圆角处
9、理过的圆盘式处理腔可以减轻电场强度突增，减小流体食品发生电击穿的可能性。华盛顿州立大学设计了一种圆盘式静态处理腔，如图3所示，它由两个表面经抛光处理的倒圆角的圆盘形不锈钢金属电极、以及装载电极和附件的绝缘体材料组成。这种经倒圆角处理过的圆盘式处理腔减小了电场强度突增，减小了流体食品物料发生电击穿的可能性，聚碉树脂被选作绝缘体材料。食品表面的空间电荷会改变理想的电场强度分布情况，因此电极的间距和处理腔的容积分别是051Cm和13.8ml或者0.95cm和25.7ml,最大的电场强度可以达到75KVcmo该处理腔有一个冷却系统，通过给金属电极通入一定温度的循环水实现。2004年，Amiali等人为
10、了研究液蛋的悬浮液中大肠杆菌的失活情况，研发了一种静态处理腔，有两个不锈钢金属电极和一个聚丙烯绝缘体垫片组成，电极间距为015cm,电极表面积为1.53cm2,处理腔容积为0.23ml,还有一个冷却系统保证了在PEF处理过程中的温度恒定。实验表明，在该处理腔电场强度达到15KVcm,脉冲数为500,脉宽为200s,试验温度为0C。时，液蛋中的大肠杆菌数量下降了3个对数值。2.4 线-筒式静态处理腔1991年MatSUmot。等人在实验中采用了一种线-筒式电极系统，如图5a所示，筒电极的内部直径为20mm,线的直径为1mm,整个处理腔的长度为110mm,可以容纳30cm3的液体。线电极装在圆柱筒
11、中心顶部的树脂盖子上，而整个处理腔安装在圆柱筒底部的搅拌器上。如图6所示，非常明显的可以看出，实线代表的微生物存活性出现了显著的衰减。为了改善杀菌效果，这里使用了搅拌器使液体混合，一旦圆柱筒内的液体被充分搅拌，随着输入能量的增加，存活性将呈线性地下降到IOTo-5.但是搅拌液体导致的另一个问题是：电场基本上沿着线-筒电极的内部分布。圆柱筒的筒壁处由于场强低于线电极附近的电场强度，所以该区域的微生物灭活性能较低。2.5 棒-棒式静态处理腔图5b所示为一种棒-棒式处理腔，一对棒状电极以螺纹方式与聚四氟乙烯腔室连接，并且位于处理腔中心，该处理腔用于研究水下电弧放电产生的强烈振动波对细胞的破坏作用。每
12、一个棒状电极的直径为4mm,棒的末端为半球形，两个棒状电极之间的距离为3mm。尼龙薄膜距离放电处为15mm,流通液体样品的细导管的内径和长度均为15mmo2.6 封闭式障态处理腔食品中的气泡将限制PEF处理的应用，因为GongOra-Niet。等在2003年提出，像气泡一类的气体腔的存在将影响到电场强度分布的均匀性,腔体内部存在的气泡将导致局部的介质击穿现象，因此，将导致处理腔内部的电场分布不均匀性，甚至连续使用高压脉冲电场时会产生电火花。根据描述流体介质的介质击穿理论，流体食品中残留的气泡被认为是导致局部介质击穿和系统放电的主要原因，这也是PEF技术发展的制约因素。考虑到发生介质击穿的潜在可
13、能性，要求所设计的流体入口在泵送物料时能便于充分消除气泡。当食品在密闭的处理腔内产生气泡时，压力突然升高，可能引起处理腔爆炸。因此，需要一个除气装置以保证操作的安全性,降低在处理过程中待处理液内部发生介质击穿的可能性。该处理腔的容积为60X60X3mm3,有两个厚度为Imm的不锈钢平行板状电极，并采用耐高温的PTFE（聚四氟乙烯）为绝缘材料。为了防止细菌对实验结果的影响，该静态处理腔被全封闭，并用医疗注射器注入液体样品。由于该处理腔的容积很大，高压脉冲的波形在很大程度上受到处理腔等效电路参数的影响，实际的脉冲电压低于电容放电产生的电压。因此，并不能有效地使微生物失活。基于该设计，BaZhal等
14、人使用了一批带有冷却系统的处理腔，以研究温度和PEF结合起来对大肠杆菌灭活的效率。印证上述观点的是，该处理腔内获得了很低的电场强度，变化范围为从9KVcm到15KVcm0另外，PEF处理腔是材料应具有耐洗涤和耐高温高压消毒的特性。通常，不同的食品物料需要不同的电压水平，一些装置采用不锈钢金属电极和聚碉树脂绝缘体材料，而另一些环境下采用像金、饴、碳以及金属氧化物等惰性电极材料，这可能会获得更好的性能表现。静态式处理腔主要适用于实验室研究，以发现相关的参数因素，而连续式的处理腔在大规模的应用中更有效。3 .连续式处理腔实际上，大多数连续式处理腔是设计灵感来源于静态式处理腔，或者更准确地说，大量的连
15、续式处理腔是由一些相似的静态式处理腔改进的，由于连续处理系统中的处理具有一致性，所以连续式处理腔更有效。处理腔设计的合理性对于PEF杀菌技术的效率至关重要，因为决定PEF灭活微生物的效率的因素分为三个：处理的参数、物料的参数、微生物的特性C在这些因素当中，只有处理参数可以在处理腔中被调整C在PEF技术的处理参数中，电场强度、处理时间、脉冲宽度、脉冲波形、处理温度以及入口温度是影响微生物灭活率的主要因素。一般地，在一定范围内提高这些参数可以提高PEF的微生物灭活效率。在一些研究中，为了获得更好的的杀菌效果，进行了处理参数的优化尝试，下文中将分类介绍。3.1 电场强度电场强度和处理时间是影响PEF
16、杀菌效果的最重要的处理参数C在所有影响PEF杀菌效果的因素中，电场强度的影响是最明显的。Alkhafaji于2006年发现，一旦施加的电场强度达到临界值，并且作用足够的时间，引起的跨膜电位将导致细胞死亡。有报道发现电场强度与微生物灭活率之间呈对数线性关系，如图8所示，明显的可以看出，脉冲处理效率决定于所采用的电场强度。在恒定的能量水平下，电场强度越高，处理的致命性就越大。在对PEF处理流体食品的研究中发现，杀伤力的提高更多的是随着电场强度，而不是脉冲持续时间。为了获得较高的电场强度，1991年，MatSUmOt。提出了一种叫“收敛型电场强度”的处理腔，该设计有意思的地方是，它不是通过提高电极的电压，而是通过在极小的容积中获得更高的电场强度。如图9所示，带有小孔的聚四氟乙烯绝缘板放置在两个平行的
